兰州大学《大气科学》考研复习资料(含答案)

兰州大学《大气科学》考研复习资料（含答案）考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.大气环流2.绝对湿度3.气团4.台风5.辐射强迫二、简答题（每题5分，共25分）1.简述锋面系统的类型及其天气特点。2.影响地表面温度的主要因素有哪些？3.解释什么是气溶胶，并简述其主要来源。4.简述全球气候变暖对极端天气事件可能产生的影响。5.简述大气垂直稳定度的概念及其对大气边界层的影响。三、论述题（每题10分，共30分）1.论述大气环流的主要类型及其对全球气候和天气的影响。2.论述人类活动对大气成分的影响，及其可能引发的生态环境问题。3.结合大气物理过程，论述数值天气预报的基本原理及其在现代气象学中的应用前景。四、计算题（共30分）1.已知某地气压为1013hPa，气温为25°C，绝对湿度为20g/m³，求该地的露点温度和相对湿度。（15分）2.假设地表吸收的太阳辐射为200W/m²，其中30%用于植物光合作用，40%用于地表增温，30%通过长波辐射返回大气。若大气逆辐射为80W/m²，求地表有效辐射和净辐射。（15分）试卷答案一、名词解释1.大气环流：指大气中大规模、有规则的热量和水汽输送现象，主要表现为全球性的有规律的大气运动，包括经向环流（如哈德莱环流）、纬向环流（如信风、西风带）和垂直运动，是联系高低纬度、海陆之间热量和水汽的主要方式。2.绝对湿度：单位体积湿空气中所含的水汽质量，常用克/米³（g/m³）或毫克/升（mg/L）表示，是湿空气绝对湿度的直接度量，不随温度变化。3.气团：指在水平方向上温度、湿度等气象要素分布比较均匀，而在垂直方向上性质比较稳定的大范围空气团。根据其源地的不同温度特征，可分为热带气团、副热带气团、极地气团、寒带气团等。4.台风：发生在热带或副热带洋面上的强烈热带气旋，中心附近最大风力达到12级或以上。其结构通常包括热带扰动、热带低压、热带风暴、强热带风暴和台风五个等级，带来狂风、暴雨和风暴潮等强烈天气现象。5.辐射强迫：指由人类活动或自然因素引起的地球大气系统辐射收支的变化，即到达地表的总辐射（向下）与地表反射回太空的辐射（向上）之差的变化量，单位通常为瓦特每平方米（W/m²），是评估气候变化驱动力的重要指标。二、简答题1.简述锋面系统的类型及其天气特点。*类型：主要有冷锋、暖锋、准静止锋和伪冷锋（或称锯齿锋）。*冷锋：冷气团主动向暖气团推进。天气特点通常是天气系统过境前后，气压先降后升，风向转变（偏转），风力增大，气温骤降，云层发展迅速，常出现阵性降水或雷暴，过境后天气转晴，气压升高，气温回升。*暖锋：暖气团主动向冷气团推进。天气特点通常是气温逐渐升高，气压逐渐降低，风向转变（偏转），云层自前方（低空）开始依次发展，先出现高层卷云，后为中低层高层云、雨层云，常伴随连续性降水或雾，过境后天气转晴，气压降低，气温继续升高。*准静止锋：锋面移动速度很慢，或基本不移动。天气特点类似于冷锋，但降水强度可能更大，持续时间更长，天气系统可能维持较长时间。*伪冷锋（锯齿锋）：冷暖气团多次交绥形成的波浪状锋面。天气特点表现为阵性降水和天气波动。2.影响地表面温度的主要因素有哪些？*太阳辐射：是地表面能量最主要的来源，其强度受太阳高度角（与纬度、季节、时间有关）、云量、大气透明度等因素影响。*大气环流：通过输送热量和水分影响地表温度。例如，暖湿气流到达冷地面会使其增温，反之亦然。*地表性质：包括颜色、反照率、水分含量、植被覆盖、地形等。例如，深色、湿润、裸露地表吸热快，温度高；浅色、干燥、植被覆盖、高地势地表吸热慢，温度低。*大气环流要素：风速影响地表热量交换，风速大则冷却快；云量和水汽含量影响对地面的保温效应，云层厚、水汽多则保温好，夜间温度不易降低。*下垫面影响：如海洋、陆地、城市等不同下垫面具有不同的热容量和导热率，导致温度变化差异。3.解释什么是气溶胶，并简述其主要来源。*定义：气溶胶是指悬浮在大气中的固态或液态微粒，其粒径通常在0.001至100微米之间。它是大气污染物的重要组成部分，也是影响大气能见度、气候和人类健康的重要因素。*主要来源：气溶胶的来源可分为自然源和人为源。自然源包括：火山喷发、沙尘暴、海浪飞沫、生物燃烧（如森林火灾）、土壤扬尘、生物气溶胶（如花粉、孢子）等。人为源包括：化石燃料的燃烧（如发电、工业生产、交通运输）、工业排放（如硫酸盐、硝酸盐、重金属）、农业活动（如氨气、粉尘）、建筑扬尘、道路扬尘、生活源排放（如烹饪油烟）等。4.简述全球气候变暖对极端天气事件可能产生的影响。*热带气旋：全球变暖可能导致热带地区海表面温度升高，为台风、飓风等提供更强的能量，使其可能变得更强、持续时间更长。*高温热浪：全球平均气温升高，使得极端高温事件的发生频率增加、强度增大、持续时间延长。*降水极端事件：温度升高导致大气持有水汽能力增强，可能使得降水过程更加剧烈，导致强降水、暴雨、洪涝事件的频率和强度增加。但同时也可能加剧干旱，因为水分蒸发加剧，且降水分布可能变得更加不均。*干旱：在某些地区，高温加剧水分蒸发，加上降水模式改变，可能导致干旱发生频率增加、持续时间延长、范围扩大。*寒潮：全球变暖背景下，极地地区可能变暖更快，但某些情况下，北极涡旋可能减弱，导致冷空气南下更加容易，寒潮过程可能发生变化。5.简述大气垂直稳定度的概念及其对大气边界层的影响。*概念：大气垂直稳定度是指大气垂直运动受到抑制或放大的性质。它由大气温度随高度的变化率（即温度递度）决定。当温度随高度升高而降低（温度递度小于干绝热递度）时，大气是稳定的，垂直运动会受到抑制；当温度随高度升高而升高（温度递度大于干绝热递度）时，大气是不稳定的，垂直运动会得到发展；当温度随高度变化介于两者之间时，大气是条件稳定的，需要存在足够的水汽凝结或其它触发机制。*对大气边界层的影响：大气边界层（简称边界层）是指受地表影响显著的大气层，其高度通常在几百米到两三千米不等。边界层的垂直稳定度对其结构、发展和污染物扩散有决定性影响。在稳定大气条件下，边界层垂直混合较弱，污染物易在近地累积，扩散条件差；在不稳定大气条件下，边界层垂直混合强烈，空气对流发展，污染物易于被稀释和扩散到较高高度。三、论述题1.论述大气环流的主要类型及其对全球气候和天气的影响。*主要类型：全球大气环流主要可划分为三圈环流模型（赤道低气压带、副热带高气压带、副极地低气压带、极地高气压带及其间的信风带、西风带）和季风环流。三圈环流模型描述了大气在全球范围内的主要热量和水汽输送路径。季风环流则表现为冬夏季风向有规律reversal的区域，主要发生在东亚和南亚等地。*对全球气候的影响：*热量平衡：大气环流是联系高低纬度、海陆之间热量交换的主要机制。它将低纬度的热量向高纬度输送，有助于调节全球热量分布，使得气候带分布相对均匀，避免了极端气候。*水汽输送：大气环流将海洋的水汽向大陆输送，是形成降水的主要动力。不同环流带控制下的地区，其降水分布差异巨大，形成了不同的气候类型（如热带雨林气候、地中海气候、温带大陆性气候等）。*塑造气候带：全球环流模式是划分气候带（热带、副热带、温带、寒带）的重要依据，不同气候带具有显著的气候特征。*对天气的影响：*天气系统：大气环流是各种天气系统（如气团、锋面、高压、低压、急流等）形成和移动的背景场。例如，西风带控制着中高纬度的天气系统活动，信风带影响热带地区天气，锋面活动常带来天气变化。*区域气候特征：不同地区处于不同的环流控制下，表现出独特的天气特征。如西风带地区多阴雨天气，副热带高气压带地区多晴朗干燥天气，赤道低气压带地区多对流性降水。*极端天气事件：大气环流的变化是引发某些极端天气事件（如寒潮、台风、暴雨、干旱）的重要因素。例如，厄尔尼诺/拉尼娜现象就是热带太平洋海气相互作用导致大气环流异常，进而影响全球天气模式。2.论述人类活动对大气成分的影响，及其可能引发的生态环境问题。*人类活动对大气成分的影响：人类活动，特别是工业革命以来的活动，对大气成分产生了巨大而深刻的影响，主要体现在以下几个方面：*温室气体浓度增加：化石燃料的燃烧（发电、交通、工业）、土地利用变化（森林砍伐、城市扩张）、工业生产过程（水泥、钢铁、化工）等排放大量二氧化碳（CO₂），同时还有甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、氢氟碳化物（HFCs）等强效温室气体，导致大气中这些温室气体浓度显著升高，特别是CO₂浓度已远超工业革命前水平。*臭氧（O₃）浓度变化：平流层臭氧层受到人类活动排放的含氯和含溴化合物（如氯氟烃，CFCs，已逐步被限制但仍有滞留）的破坏，导致平流层臭氧消耗，形成臭氧空洞。同时，近地面的臭氧作为一种二次污染物，由挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在阳光作用下生成，其浓度在某些城市和地区严重超标。*气溶胶浓度变化：工业排放、交通运输、农业活动、燃煤等向大气排放大量气溶胶，包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机碳、黑碳（PM2.5和PM10的主要成分）等。气溶胶可以影响大气能见度，直接或间接影响气候（冷却或增温效应），并危害人体健康。*其他污染物：人类活动还排放一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOx）、挥发性有机物（VOCs）等，这些污染物主要造成酸雨、光化学烟雾等环境问题。*可能引发的生态环境问题：*全球气候变暖：温室气体浓度增加导致温室效应增强，全球平均气温上升，引发海平面上升、冰川融化、极端天气事件（热浪、干旱、强降水）频率和强度增加、生态系统结构功能改变等一系列问题。*平流层臭氧损耗与恢复：平流层臭氧层被破坏，导致到达地面的紫外线辐射增强，危害人类健康（皮肤癌、白内障）、损害动植物生长、破坏海洋浮游生物生态链。虽然国际社会已通过《蒙特利尔议定书》限制CFCs等物质的排放，臭氧层正在缓慢恢复，但影响仍需关注。*空气质量恶化：近地面臭氧和细颗粒物（PM2.5）等污染物浓度超标，导致空气污染事件频发，严重影响人体健康（呼吸系统疾病、心血管疾病等），降低能见度，影响交通运输和生态环境。*酸雨：SO₂和NOx等酸性气体溶于水汽形成酸雨，酸化土壤和水体，危害植物生长，腐蚀建筑物和材料，影响水体生态系统（鱼类死亡等）。*生态系统破坏与生物多样性减少：大气成分的变化（温度升高、紫外线增强、降水格局改变、酸雨等）导致许多生态系统（如极地苔原、高山草甸、珊瑚礁）受到威胁，生物多样性减少。3.结合大气物理过程，论述数值天气预报（NWP）的基本原理及其在现代气象学中的应用前景。*基本原理：数值天气预报（NWP）是利用计算机对大气运动的基本方程组（主要是流体力学方程组、热力学方程组和辐射传输方程组）进行数学求解，模拟大气状态随时间演变的一种方法。其基本原理可概括为：*大气物理方程组：建立描述大气运动和状态变化的数学模型，包括控制大气运动的动力学方程（如Navier-Stokes方程的简化形式）、描述大气热力性质变化的thermodynamicsequation（如热力学方程）、以及描述太阳辐射与大气相互作用的辐射传输方程。这些方程组通常是非线性的、偏微分方程组。*初始状态分析：利用地面气象观测站、探空、雷达、卫星等多种探测手段获取全球或区域大气的初始状态信息（气温、气压、风速、湿度等），并进行质量控制和插值，形成覆盖整个计算域、具有足够空间和时间分辨率的初始条件场。初始状态的质量直接影响预报的准确性（“蝴蝶效应”）。*有限差分/有限体积/谱方法：将连续的大气域离散化为网格点或波数，将连续的微分方程离散化为代数方程组。常用的离散化方法有限差分法、有限体积法、谱方法等。时间积分方法（如时间滤波、半隐式/显式积分）用于推进时间演变。*边界条件：设置合适的边界条件，如陆地表面过程边界条件（处理地表热量、水分交换）、海表边界条件、顶边界条件等。*计算机求解：利用高性能计算机求解庞大的代数方程组，得到未来一段时间内每个网格点上的气象要素（温度、气压、风速等）的时间序列。*现代气象学中的应用前景：*提高预报准确性和时效性：NWP已成为现代天气预报的主要手段，提供从短期的数天到中期的季节预测的预报产品，预报准确性随着观测技术和数值模式分辨率的提高而不断提升。*支持气候变化研究：NWP模式是研究未来气候变化情景（如CO₂浓度增加导致气候变化）和气候变异（如ENSO、MJO）机理的重要工具，为制定气候变化适应和减缓策略提供科学依据。*拓展气象服务领域：NWP输出的精细化气象要素场（如风场、温度场、降水场、雷电场等）广泛应用于航空、航海、农业、水资源管理、能源、交通、环境、灾害预警（台风、暴雨、干旱、强对流等）等领域，提供决策支持服务。*促进大气科学研究：NWP模式是研究大气环流、天气系统物理机制、大气边界层过程、云降水物理、大气化学过程等复杂大气现象的重要研究工具，有助于深化对大气科学的理解。*发展集成的地球系统模式：将NWP模式与海洋、陆面过程、冰雪圈、生物圈、海洋生物地球化学等模式耦合，发展地球系统模式（EarthSystemModels,ESMs），更全面地模拟地球系统各圈层之间的相互作用和全球变化。*人工智能与NWP深度融合：利用人工智能技术（如机器学习、深度学习）改进NWP的初始场制作、模式参数化方案、预报订正等方面，有望进一步提升数值天气预报的精度和效率。四、计算题1.已知某地气压为1013hPa，气温为25°C，绝对湿度为20g/m³，求该地的露点温度和相对湿度。*计算思路：1.查表或计算饱和水汽压（Es）：利用Bolton公式或查表，根据气温（T=25°C）计算饱和水汽压Es。Bolton公式：Es(hPa)=6.112*exp[(17.67*T)/(T+243.5)]。代入T=25°C，得Es≈23.36hPa。2.计算实际水汽压（e）：实际水汽压e等于绝对湿度（w,g/m³）与标准大气密度（ρ,kg/m³）的乘积。标准大气密度近似为1.2kg/m³。e=w*ρ=20g/m³*1.2kg/m³/1000g/kg≈0.024kg/m³。将密度单位换算为g/m³方便后续计算，e=24g/m³。（注意：更精确的计算应使用实际气压下的混合比或直接查表计算实际水汽压，此处简化处理）。3.计算相对湿度（RH）：RH=(e/Es)*100%。代入e≈24g/m³,Es≈23.36hPa。需将单位统一，假设水汽压为24hPa。RH=(24hPa/23.36hPa)*100%≈102.6%。相对湿度超过100%通常意味着存在液态水（露水或云），此时实际水汽压应等于饱和水汽压，即e=Es=23.36hPa。因此，实际相对湿度为100%。4.计算露点温度（Td）：露点温度是使实际水汽压等于饱和水汽压时的温度。利用Bolton公式的逆向计算或查表。已知Es≈23.36hPa，实际水汽压e≈23.36hPa。则Td=(243.5*ln(e/6.112))/(17.67-ln(e/6.112))。代入e=23.36hPa，计算得Td≈25°C。*结果：露点温度约为25°C，相对湿度约为100%。2.假设地表吸收的太阳辐射为200W/m²，其中30%用于植物光合作用，40%用于地表增温，30%通过长波辐射返回大气。若大气逆辐射为80W/m²，求地表有效辐射和净辐射。*计算思路：1.计算地表净吸收太阳辐射：地表吸收的太阳辐射为200W/m²。其中30%用于光合作用，40%用于增温，30%返回大气。用于光合作用和返回大气的部分不计入地表能量平衡的直接吸收。因此，直接吸收用于增温的部分为200W/m²*(1-30%-30%)=200W/m²*40%=80W/m²。2.计算地表的长波辐射（地表有效辐射的前半部分）：200W/m²的太阳辐射中，有30%即200W/m²*30%=60W/m²返回大气。3.计算地表有效辐射（Em）：地表有效辐射是地表发射的长波辐射（E）减去大气